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1、第四章差分放大器2012-3-111单端与差动的工作方式共模电平单端信号的参考电位为某一固定电位(通常为地电位),差动信号定义为两个结点电位之差,且这两个结点的电位相对于某一固定电位大小相等,极性相反。在差动信号中,中心电位称为“共模”(CM)电平。2012差-3-11动工作比单端工作有什么优点?2用差分放大器消除时钟噪声差动工作与单端工作相比,一个重要优势在于它对环境噪声具有更强的抗干扰能力!!对称差动时钟大信号通过寄生电容耦合到小信号的噪声单端工作时时钟大信号通过因极性相反而相互抵消寄生电容干扰
2、放大的小信号V01V-V0102V02极性相反的两路受干扰小信号,差动输出时干扰消除了!2012差-3-11动工作还有什么优点?3差分放大器的优点V-VXY电源噪声对单端电路产生的干扰差动输出时电源噪声产生的差动信号的优点：干扰消除了1.能有效抑制共模噪声。2.增大了输出电压摆幅(是单端输出的两倍)。3.偏置电路更简单(差分对可以直接耦和)、输出线性度更高。4.缺点是芯片面积和功耗略有增加,但绝对物有所值!2012-3-11如何放大一个差分信号？4简单差动电路简将两条相同的单端信号路径结合起单来,分
3、别处理两个差动相位信号Vin1差和V,但当V和V存在很大的共in2in1in2动模干扰或各自的直流电平设置的不对V和V是差动相位信号好时,随着共模电平VinCM的变化,in1in2M和M的偏置电流会变化,从而导12致跨导和输出共模电平变化,跨导的变化会改变小信号增益,输出共模电平相对于理想值的偏离会降低最大允许输出摆幅,严重时会导致输出端出现严重失真,因此,重要的是应使M和M的偏置电流受输入12共模电平的影响尽可能小。输入共模电平对输出的影响201如何减2-3-11小输入共模电平变化的影响呢?5基本
4、差动对V-Vin1in2Vin1-Vin2相差不V-Vin1in2足够负,大时,M1足够正,M截止,和M2均M导通,11M2导通导通M截止2△Vin2ISSΔV=inWμCnOXL20V12-3-11=V时,小信号增益(即斜率)最大6in1in2基本差动对的重要特性差动对的两个重要特性:1.输出端的最大和最小电平是确定的(分别为V和V-RI)。DDDDDSS它们与共模输人电平无关。2.小信号增益当V=V时达到最in1in2大,且随着
5、V-V
6、的增加而逐渐in1in2减小到零。也就是说,随着输入电压摆
7、幅的增大,电路变得更加非线性。当V=V时,我们说电路处于in1in2平衡状态,即静态。2012-3-117基本差分对的共模特性当V≤V-V时,PbTNM工作在线性区,等3效于一个小电阻VinCMmin2012-3-118为保证M1和M2饱和,VinCMmin=?,VinCMmax=?IβSS12()2Q=(V-V-V)inCMPTN基本差分对的22共模输入范围ISSV=+V+VinCMPTNβ12()QV≥V-V(M3饱和要求)PbTNISSISSV≥+VinCMminbβ1(2)ISSQVX=
8、VDD-RD≥VinCM-VTN(M1饱和要求)2ISSV≤V-R+VinCMmaxDDDTN22012-3-119差动对小信号差动增益与共模输入电平的关系VVinCMmininCMmax产生I的MOS管线性M和M线性SS12ΙISSSS+V≤V≤V-R+VbinCMmaxDDDTNβ21（2）2012-3-1110共模输入电压与输出摆幅M1饱和要求:V≥V-VXinCMTNXY上式表明,输入共模电平越大,允许输出的输出摆幅就越小。幸运的是,因运放通常需至少两级放大才能获得实际可使用的放大倍数,因
9、此对前级的摆幅要求大大降低。例:若两级运放A=100,A=400(即A=92dB),假定输出IIIVV=±10V,则第二级的输入电压范围(也即第一级的输出0电压摆幅)仅需为:±10V/400=±25mV。第一级的小信号输入范围仅为:±25mV/100=250μV。2012-3-1111基本差分对的定量分析(1)在左图的电阻负载基本差动对中,记:△V=V-V,且b=b=b=μC(W/L)inin1in212nOX,假定M和M均工作在饱和区,I为理想12SS恒流源,则由平方律关系有:β22IDQI=(V
10、-V)ÞV=+VDGSTNGSTN2β2I2I两边平方,且考D1D2ΔV=V-V=-inGS1GS2虑到I+I=IββD1D2SS222I4SSβ2ÞΔV=-II4II=(I-ΔV)inD1D2D1D2SSinββ22012-3-1112基本差分对的定量分析(2)222I4SSβ2QΔV=-IIÞ4II=(I-ΔV)inD1D2D1D2SSinββ2222222βQΔI=(I-I)=(I+I)-4II=I-(I-ΔV)DD1D2D1D2D1D2SSSSin2222
